第一部分二维与三维图像匹配技术在膝关节运动学中的应用目的:近些年随着医学影像学与计算机测量软件的发展,二维与三维图像匹配技术逐渐应用到运动学模式测量中。它的基本原理是应用已知大小和形状的三维图像去匹配一个二维图像,再反推出投影成二维图像的另一个形状相同的三维图像的具体空间位置。在测量膝关节置换术后患者的运动学模式过程中,主要是通过单平面X线透视机获得患者假体在体内的二维运动图像。再通过假体已知的三维图像去匹配这些二维图像,最后反推得到假体在患者体内的三维运动情况。关于二维与三维图像匹配技术的测量精确度还存在争议。本实验测量研究应用高精度3D激光扫描仪后的二维与三维图像匹配技术在膝关节置换术后运动学测量中的精确度。方法:应用膝关节置换术中的伸直、屈膝平衡技术安装膝关节假体。去除人工膝关节模型中的前交叉韧带,保留后交叉韧带和侧副韧带。在截骨导向器辅助下,将胫骨平面截成5°后倾角。在操作过程中,不行髌骨置换。将安装膝关节假体的人工膝关节模型在单平面X线透视机下从0°到90°缓慢连续完成屈膝过程。将股骨假体的前缘与胫骨假体侧面影像的夹角规定为屈曲角度。从0°到90°每隔10°取1张X线片进行测量。通过假体的侧位X线片,提取假体的侧位轮廓。通过高精度3D激光扫描仪和WiildFire5.0软件获得假体的三维图像。手动旋转移动三位图像使其与0°对应的侧位轮廓重合。从而获得股骨假体相对于胫骨假体的0°三维空间位置。然后通过微调可以获得其他9个位置。测量三维空间位置中股骨相对于胫骨的最低点。将胫骨假体的金属托平面定义为参考平面。在参考平面中,金属托平面的中心点定义为原点。连接金属托平面内外侧缘的连线定义为x轴,通过原点与其垂直的轴定义为y轴,通过原点与参考平面垂直的轴定义为z轴。金属托的前侧定义为y轴的正方向,金属拖的外侧定义为x轴的正方向。移动参考平面与股骨假体相接触,接触区域的直径小于0.2mm视为接触区。接触区的中心点视为最低点。最低点三维空间坐标作为测量位置。通过高精度3D激光扫描仪测量三维空间位置中股骨相对于胫骨的最低点三维空间坐标,将其作为它的真实位置。比较测量位置相对于真实位置的误差,从而得到二维与三维图像匹配技术在膝关节置换术后运动学测量中的精确度。结果:分别对二维与三维图像匹配技术和3D激光扫描仪测量股骨假体相对于胫骨假体在冠状面、水平面、矢状面不同度角的移动及旋转误差采用配对t检验,各角度在不同维度上的移动及旋转误差无统计学差异。冠状面在30°角移动误差最大为0.60±1.39(mm),水平面最大为90°角移动误差最大为0.81±1.53(mm),矢状面最大为70°角移动误差最大为2.01±4.37(mm),计算0-90°角全部移动误差的平均值分别为0.38±1.04(mm),0.50±1.33(mm),1.50±4.28(mm),两种测量方法比较,差异无统计学意义。冠状面在80°角旋转误差最大为3.54±4.88(°),水平面最大为70°角旋转误差最大为0.79±3.24(°),矢状面最大为50°角旋转误差最大为0.59±1.28(°),计算0-90°角全部旋转误差的平均值分别为2.04±3.42(°),0.59±3.13(°),0.48±1.87(°),两种测量方法比较,差异无统计学意义。小结:应用高精度3D激光扫描仪的二维与三维图像匹配技术可以精确测量膝关节置换术后患者的膝关节运动学模式,为提高假体的设计和临床医生的手术水平提供了重要帮助,从而帮助提高患者的术后生活质量。第二部分在应用保留后叉韧带型假体膝关节置换术中胫骨后倾角的改变对膝关节运动轨迹的影响目的:膝关节置换术后,膝关节的运动轨迹较术前发生了变化。正常膝关节在屈膝过程中,股骨内侧髁相对于胫骨不动或少量后移。而膝关节置换术后的一些患者在屈膝的过程中,股骨内侧髁相对于胫骨出现了矛盾性前移。本实验研究在应用保留后叉韧带型假体膝关节置换术中胫骨后倾角的改变对膝关节运动轨迹的影响,并观察胫骨后倾角的改变对矛盾性前移的影响。方法:本实验对9例行双膝保留后叉韧带型假体关节置换术后2年的女性患者进行了回顾性研究。这9例膝内侧骨性关节炎的患者应用了同一公司生产的大小、型号相同的假体。用患者术前的胫骨后倾角减去术后的胫骨后倾角。根据术中胫骨后倾角的变化进行了分组:组1≧3°(n=10),组2<3°(n=8)。术前所有患者都为伴有内翻畸形、前交叉韧带完整的膝内侧骨性关节炎患者(Kellgren-Lawrence分级III度)。创伤性关节炎、类风湿性关节炎和外翻膝的患者都被排除在外。组1患者手术时的平均年龄为61.1岁(57~68岁),随访时间为术后24.3个月(24~25月)。最大屈曲角度为84°(60~90°)。组2患者手术时的平均年龄为61.3岁(57~68岁),随访时间为术后24.2个月(24~25月)。最大屈曲角度为83°(60~90°)。2组之间没有统计学差异(P>0.05)。术后所有患者的膝关节KSS评分大于90分,膝关节稳定并且没有明显的术后并发症。术后组1患者的最大屈曲角度为125°(115~130°),组2患者的最大屈曲角度为123°(115~130°)。2组患者在单平面X线透视机下从0°到90°缓慢连续完成屈膝过程。从0°到90°每隔10°取1张X线片进行测量。我们通过患者术后的侧位X线片,提取假体的侧位轮廓。通过3D激光扫描仪和WiildFire5.0软件获得假体的三维图像。手动旋转移动三位图像使其与0°对应的侧位轮廓重合。从而获得股骨假体相对于胫骨假体的0°三维空间位置。然后通过微调可以获得其他9个位置。通过二维与三维图像匹配技术测量股骨内外侧髁相对于胫骨的运动轨迹。结果:组1患者在完全伸直状态下(0°),股骨胫骨内侧接触点的平均位置为-0.1±1.5mm(-3.1~1.9 mm)。在屈膝的过程中,股骨胫骨内侧接触点持续后移。在屈膝90°时,股骨胫骨内侧接触点的平均位置为-4.1±3.4mm(-11.4~-0.7 mm)。平均移动距离为4.0mm。在完全伸直状态下(0°),股骨胫骨外侧接触点的平均位置为-1.1±1.1mm(-3.1~0.5 mm)。在屈膝的过程中,股骨胫骨外侧接触点持续后移。在屈膝90°时,股骨胫骨外侧接触点的平均位置为-11.1±1.5mm(-12.9~-8.1mm)。平均移动距离为10.0mm。在0°到90°的屈膝过程中,股骨胫骨外侧接触点的移动距离明显大于股骨胫骨内侧接触点的移动距离(P<0.05)。组2患者在完全伸直状态下(0°),股骨胫骨内侧接触点的平均位置为0.2±2.0mm(-2.8~2.7mm)。在50°到90°的屈膝过程中,股骨胫骨内侧接触点出现了矛盾性前移。在屈膝40°时,股骨胫骨内侧接触点达到了最靠后的位置-2.7±2.0mm(-5.6~0.1 mm)。平均移动距离为2.9mm。在50°到90°的屈膝过程中,股骨胫骨内侧接触点持续前移。在屈膝90°时,股骨胫骨内侧接触点的平均位置为-0.5±1.8mm(-3.1~2.2mm)。平均移动距离为2.2mm。在完全伸直状态下(0°),股骨胫骨外侧接触点的平均位置为-2.8±1.7mm(-6.0~-0.1 mm)。在屈膝的过程中,股骨胫骨外侧接触点持续后移。在屈膝90°时,股骨胫骨外侧接触点的平均位置为-8.7±2.3mm(-11.5~-4.9mm)。平均移动距离为5.9mm。在0°到90°的屈膝过程中,股骨胫骨外侧接触点的移动距离明显大于股骨胫骨内侧接触点的移动距离(P<0.05)。小结:在应用保留后叉韧带型假体膝关节置换术中适当减少胫骨后倾角可以防止矛盾性前移的出现。第三部分膝关节置换术中胫骨后倾角的改变对术后膝关节功能康复的影响目的:膝关节置换术后,膝关节的功能康复受许多因素的影响。本实验研究在应用保留后叉韧带型假体膝关节置换术中胫骨后倾角的改变对术后膝关节功能康复的影响。方法:本实验对10例行双膝保留后叉韧带型假体关节置换术后1年的女性患者进行了回顾性研究。这10例膝内侧骨性关节炎的患者应用了同一公司生产的大小、型号相同的假体。用患者术前的胫骨后倾角减去术后的胫骨后倾角。根据术中胫骨后倾角的变化进行了分组:组1≧3°(n=11),组2<3°(n=9)。术前所有患者都为伴有内翻畸形、前交叉韧带完整的膝内侧骨性关节炎患者(Kellgren-Lawrence分级III度)。创伤性关节炎、类风湿性关节炎和外翻膝的患者都被排除在外。组1患者手术时的平均年龄为61.4岁(57~68岁),随访时间为术后12.3个月(12~13月)。最大屈曲角度为86°(60~90°)。VAS膝关节疼痛评分9.20,KSS膝关节功能评分23.42,WOMAC膝关节功能评分63.42。组2患者手术时的平均年龄为61.5岁(57~68岁),随访时间为术后12.4个月(12~13月)。最大屈曲角度为84°(60~90°)。VAS膝关节疼痛评分9.27,KSS膝关节功能评分23.38,WOMAC膝关节功能评分62.14。2组之间没有统计学差异(P>0.05)。按照Utzschneider等人的方法,参考胫骨近端解剖轴来测量胫骨后倾角的大小。术后1年测量患者的膝关节运动轨迹。2组患者在单平面X线透视机下辅助于扶手从0°到90°缓慢连续完成负重屈膝过程。从0°到90°每隔10°取1张X线片进行测量。我们通过患者术后的侧位X线片,提取假体的侧位轮廓。通过3D激光扫描仪和WiildFire5.0软件获得假体的三维图像。手动旋转移动三位图像使其与0°对应的侧位轮廓重合。从而获得股骨假体相对于胫骨假体的0°三维空间位置。然后通过微调可以获得其他9个位置。最终获得了股骨内外侧髁相对于胫骨的运动轨迹。用VAS评分测定术后患者的疼痛程度。用WOMAC评分表及KSS评分测定患者术后功能的康复情况。结果:组1患者在0°到90°的屈膝过程中,股骨胫骨内侧接触点持续后移。组2患者在0°到20°的屈膝过程中,股骨胫骨内侧接触点持续后移。在20°到50°的屈膝过程中,股骨胫骨内侧接触点几乎保持不动。在50°到90°的屈膝过程中,股骨胫骨内侧接触点持续前移。在屈膝90°时,组1患者股骨胫骨内侧接触点的平均位置相对于组1患者明显靠后(P=0.007)。这2组患者的股骨胫骨外侧接触点都出现了不同程度的持续后移。在完全伸直状态下(0°),组1患者股骨胫骨外侧接触点的平均位置相对于组2患者明显靠前(P=0.038)。但是在屈膝90°时,组1患者股骨胫骨外侧接触点的平均位置相对于组2患者明显靠后(P=0.016)。因此在0°到90°的屈膝过程中,组1患者股骨胫骨外侧接触点的移动距离明显大于组2患者股骨胫骨外侧接触点的移动距离(P<0.001)。组1患者的VAS及WOMAC评分低于组2患者,KSS评分高于组2患者。组2的患者在屈膝20°到90°时,股骨内侧髁行相对于胫骨出现了矛盾性前移。小结:在应用保留后叉韧带型假体膝关节置换术中适当减少胫骨后倾角可以提高患者膝关节功能康复。矛盾性前移可以影响患者膝关节功能的恢复。第四部分不同胫骨后倾角的改变对术后膝关节功能康复及术后并发症的影响的病例长期随访研究目的:本实验回顾性研究了在应用保留后叉韧带型假体膝关节置换术中胫骨后倾角的改变对术后膝关节功能康复及术后并发症的长期影响。方法:本实验对2012年9月到2013年9月期间的150例患者的180例行膝保留后叉韧带型假体关节置换术后3年的恢复情况进行了回顾性研究。用患者术前的胫骨后倾角减去术后的胫骨后倾角。根据术中胫骨后倾角的变化进行了分组:组1,>5°;组2,3°到5°;组3,0°到3°;组4,-3°到0°;组5,<-3°。术前所有患者都为伴有内翻畸形、前交叉韧带完整的膝内侧骨性关节炎患者(Kellgren-Lawrence分级III度)。创伤性关节炎、类风湿性关节炎和外翻膝的患者都被排除在外。术后3年测量患者膝关节的VAS疼痛评分、KSS膝关节功能评分及WOMAC膝关节功能评分及术后并发症情况。结果:术后3年5组患者的疼痛评分较术前降低,在1.0-3.0之间,组间比较差异有统计学意义(χ2=94.300,P<0.001);KSS评分较术前升高,组5中位数最低为77.0,组2最高为98.0,组间差异有统计学意义(χ2=163.580,P<0.001);WOMAC评分低于术前,评分中位数分别为23.0,10.0,13.0,19.0,25.0,组5最高,组2最低,组间比较差异有统计学意义(χ2=164.118,P<0.001)。术后所有患者均未出现假体松动、假体周围骨折及衬垫磨损等相关并发症发生。小结:胫骨后倾角的改变与膝关节置换患者术后的长期康复密切相关,减少太多或增加太多都会影响患者术后膝关节功能的长期康复,没有影响到术后并发症的发生。结论:在我们的实验中,二维与三维图像匹配技术可以精确测量膝关节置换术后运动学模式,为提高假体的设计和临床医生的手术水平提供重要帮助,从而提高患者的术后生活质量。在应用保留后叉韧带型假体膝关节置换术中适当减少胫骨后倾角可以防止矛盾性前移的出现。在应用保留后叉韧带型假体膝关节置换术中适当减少胫骨后倾角可以促进患者膝关节功能康复。矛盾性前移可以影响患者膝关节功能的恢复。胫骨后倾角的改变与膝关节置换患者术后的长期康复密切相关,减少太多或增加太多都会影响患者术后膝关节功能的长期康复。没有影响到术后并发症的发生。